基于無人機配送的窗口智能接駁柜研究*

□ 熊佳美，岳凡迪，朱新怡，朱思锜

(上海商學院，上海 201400)

1 研究背景

1.1 研究現(xiàn)狀

如今,城市商貿(mào)物流在爆發(fā)式增長的同時,其配送成本與日俱增。物流行業(yè)技術的更新迭代難以緊跟我國電子商務的迅猛發(fā)展,成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。企業(yè)需要以高新技術為突破,打破傳統(tǒng)物流產(chǎn)業(yè)人力成本居高不下的現(xiàn)狀,打造現(xiàn)代化物流運輸體系。為了降低物流運輸成本、提高配送效率,無人機憑借運輸成本低廉、機動性較強、安全和風險系數(shù)較小等特征,成為解決物流行業(yè)痛點的新辦法。與傳統(tǒng)物流配送模式相比,無人機配送在物流運輸中優(yōu)勢明顯。首先，無人機可以進行垂直起降著陸,所占時間和空間較少,靈活性高。此外，無人機可以完成一系列高難度的任務,為人們提供個性化的便利[1]。

基于無人機配送的自動化投遞系統(tǒng)，其目的是真正實現(xiàn)快件投遞的自動化、無人化、信息化,以提升傳統(tǒng)人工投遞的工作效率和快件投遞的服務質量,有利于緩解日益增長的快遞數(shù)量與人工服務質量不足的矛盾[2]。智能接駁柜是實現(xiàn)云計算技術在物聯(lián)網(wǎng)領域的進一步落地，以末端智慧物流為細分領域開拓創(chuàng)新并整體融入智慧城市、智慧社區(qū)、智慧家居等一系列智能信息化的戰(zhàn)略布局，是智慧城市落地的項目之一。智能接駁柜系統(tǒng)用技術替代人工、降低成本，大大提高配送效率，符合國家智慧城市建設的戰(zhàn)略規(guī)劃和內(nèi)涵要求，具有較強的城市服務功能。

1.2 行業(yè)痛點

對于快遞基層服務商而言,若其服務質量較低受到了客戶投訴，將會遭到總部的處罰；對于投遞人員來說,日益增長的派件數(shù)量導致工作壓力逐漸加劇,派件速度也因此受到影響?？爝f員常常會面臨丟件、運費拖欠、快件被拒收以及被投訴后來自快遞網(wǎng)點的處罰等多重問題；對于消費者而言，其包裹通常會被存放在小區(qū)門衛(wèi)、公司樓下等存在安全風險的環(huán)境中,快件丟失、配送時效性未知等問題會時常出現(xiàn),同時，傳統(tǒng)人工投遞方式無法有效保障消費者的隱私。

受到派件成本、行業(yè)競爭、快遞包裹限流等問題的制約，完整的末端物流很難在獨立的快遞公司中搭建起來，只有與獨立的第三方快遞公司合作，才能有效解決“快遞最后一百米”這一物流服務問題。因此，“自提”式的快遞服務和第三方收發(fā)式的快遞服務類型企業(yè)應運而生。目前，國內(nèi)做第三方快遞代收的企業(yè)，從代理類型上來看，主要分為物業(yè)代理類、自助式提柜類、社區(qū)或直營門店等多種類型，但以上形式并未徹底解決我們所提及的需要消除快遞物品配送時差的本質性問題，常出現(xiàn)用戶繞路去取快遞的現(xiàn)象，給用戶造成了不必要的麻煩。

2 研究思路

本文將會從窗口智能接駁柜的結構設計、整體方案操作流程以及方案可行性評估三個維度進行分析研究，打造出一套針對城市物流“最后一公里”配送的創(chuàng)新型解決方案。本方案設想一種基于無人機快遞收派的智能接駁柜，通過在建筑外墻上、兩列戶之間鋪設供接駁柜移動的軌道，接駁柜的規(guī)格可隨應用場景所調(diào)整，其背側安置與滑動軌道對接，由電機控制模塊控制的驅動電機實現(xiàn)所述智能接駁柜移動至指定位置，便于用戶拿取快遞。在接駁柜能夠與用戶對接的前提下解決了因戶型或其他客觀條件差異而導致的存取困難，提高了快遞交接的便捷性與精確性，從而實現(xiàn)用戶足不出戶就能輕松寄取快遞的愿望。

3 具體操作流程

3.1 無人機快遞

訂單管理及配送調(diào)度控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 訂單調(diào)度控制流程圖

后臺信息系統(tǒng)，接收并處理訂單信息，所述送貨信息包括送貨地點、送貨路線和預定到達時間，接著進行訂單配送狀態(tài)確認，根據(jù)訂單處理結果生成送貨路線,并根據(jù)所述送貨路線生成預定到達時間，最后，所述服務器將所述送貨信息發(fā)送至所述移動終端，實現(xiàn)精準配送[3]。

無人機，獲取目標配送位置和配送時間，自動裝載目標貨物并在配送時間啟動無人機配送飛行，根據(jù)航跡路徑將目標貨物配送至目標配送位置，并將目標貨物投遞到戶外家裝的收貨裝置中，然后返航[4]；或在配送時間啟動無人機配送飛行，根據(jù)航跡路徑飛行至目標配送位置，裝載目標貨物并返航，將目標貨物投遞到至窗口智能快遞接駁柜[5]。

用戶管理模塊，存儲用戶信息并與用戶終端和訂單管理模塊通信實現(xiàn)無人機配送訂單下單、配送信息確認、訂單處理和的訂單配送狀態(tài)確認；訂單管理模塊，接收并處理訂單信息和進行訂單配送狀態(tài)確認[6]；調(diào)度管理模塊，根據(jù)訂單處理結果控制窗口智能快遞接駁柜的訂單調(diào)度排隊情況并實時反饋訂單的貨物信息，控制無人機配送訂單調(diào)度排隊；航跡路徑規(guī)劃模塊，規(guī)劃無人機從窗口智能快遞接駁柜至目標配送位置的航跡路徑[7]。

收件人進行取件，根據(jù)終端界面提示進行人臉識別或指紋識別以進行身份確認，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢無誤后，將自動打開柜門，顧客取出快遞后關閉柜門即可。

3.2 窗口智能接駁柜

窗口智能接駁柜的組件構成及功能如圖2和圖3所示。

圖2 窗口智能接駁柜組件結構線框示意圖

圖3 接駁柜橫向移動示意圖

窗口智能快遞接駁柜柜體設有金屬外殼，用于防雨防潮，結構共四層，前三層與第四層由卡扣活動連接，整體和軌道滑桿之間活動連接，接駁柜柜體上配備有紅外掃描儀，電磁鎖與每層柜門活動連接，收件時，無人機靠近接駁柜，通過無線傳感器網(wǎng)絡感應到信號，自動開啟柜門，投放完成后關閉；集成處理器中的電機控制模塊控制所述窗口智能快遞接駁柜于不同區(qū)域之間移動，移動至方便用戶開啟的位置。收件時，柜體離開托盤，投放完畢，返回托盤。本快遞接駁柜的派取系統(tǒng)包括用戶終端、智能快遞接駁柜中央服務器和接駁柜派取端APP終端與中央服務器通信連接，并將寄送地址等信息傳遞至中央服務器；智能快遞接駁柜用于存放快遞物品并與中央服務器通信連接且可傳遞攬件及自身位置等信息，并能接收中央服務器指令。接駁柜派取端用于智能快遞接駁柜的運送和回收，并可接收中央服務器的指令。

智能窗口接駁柜包括柜體和集成處理器，集成處理器內(nèi)設置電源模塊、無線通訊模塊、定位模塊、電磁鎖控制模塊。無線通訊模塊與中央服務器通信連接，智能接駁柜通過定位模塊向中央服務器發(fā)送自身位置信息，箱體內(nèi)設有與電子鎖配合的鎖合部，這樣通過電子鎖將接駁柜鎖住，且電子鎖只有在終端輸入正確密鑰的情況下才能打開，保證接駁柜里快遞物品的安全性，防止快遞物品被盜；在收取快遞時，用戶終端需預先發(fā)送可以在30分鐘內(nèi)取件的指令或提前預定目標派送時間，目標無人機在接收到一定數(shù)量的指令之后，提示工作人員為其按訂單順序裝件，之后向各用戶終端發(fā)送密鑰。

所述的集成處理器組件系統(tǒng)包括CPU處理器、信號接收模塊、信號發(fā)送模塊、操控模塊、電機控制模塊、電磁鎖控制模塊，如圖4所示。由信號接收模塊的輸出端電連接CPU的輸入端，所述信號接收模塊由ZigBee模塊和WiFi模塊構成。所述電磁鎖的輸入端電連接電磁鎖控制模塊的輸出端，CPU處理器還包括有響應于信息接收模塊的紅外掃描儀，其輸出端電連接信息接收模塊的輸入端，紅外掃描儀的輸入端電連接無線通訊模塊的輸出端。所述信息交互模塊移動終端上的APP的人機交互程序，運用RFID模塊的感應裝置在放置板上，通過信號發(fā)送模塊至云服務平臺向客戶終端展現(xiàn)其所選擇的快遞件的相關信息，由客戶發(fā)出最終指令確定快遞件，將該信息傳至云服務平臺的高效信息交互過程。其中，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)具體功能表現(xiàn)為，當箱體內(nèi)的溫度傳感器啟動后，信息發(fā)送模塊將箱體內(nèi)的溫度信息發(fā)送至云服務平臺及相關APP，由云服務平臺發(fā)送給終端進行實時顯示，同時控制模塊接收云服務平臺的指令對制冷模塊進行溫度調(diào)節(jié)。

圖4 集成處理器部件系統(tǒng)示意圖

紅外線掃描屏通過掃描儀來識別快遞種類，輸入密鑰以打開接駁柜，很好地實現(xiàn)了人機交互，又提升了接駁柜使用時的便利性，還提升了接駁柜的智能性。

用戶終端包括智能手機或平板電腦或臺式電腦，方便用戶及時獲取收取快遞的密鑰和發(fā)送快遞的相關信息，極大地提升了收發(fā)快遞的便利性和智能性。

3.3 方案介紹

3.3.1 無人機方案的選擇

末端無人機作為主要運輸工具，其單次運輸量及運輸效率對于窗口智能快遞接駁柜的吞吐量起著決定性的作用，因此，我們選取了目前國內(nèi)已投放使用的8款用于貨物運輸?shù)臒o人機作為對接本窗口智能快遞接駁柜的備選無人機機型，如表1所示。

表1 備選無人機數(shù)據(jù)

我們分別選取了無人機的六個性能指標：最大航程半徑、航行速度、最大載荷重量、旋翼設計、產(chǎn)品尺寸、使用場景來作為因素分析法的因素因子，對于各個無人機的性能做綜合性分析(見表2)，其中得分最高的無人機為京東旗下的油動小壯CT120(圖5)，由此我們可以得出，在貨物從集散點至窗口智能快遞接駁柜這段的運輸工具可優(yōu)先選擇無人機油動小壯CT120。

表2 無人機遴選機型得分表

圖5 無人機備選方案遴選機型綜合得分折線圖

由表3可知，京東旗下的油動小壯單次最大飛行時間為2000秒，運輸一次需要無人機起降2次，起降一次耗時6秒，由此可得利用優(yōu)選無人機油動小壯運送一次貨物最多需耗費2012秒。在理想狀態(tài)下，無人機在12小時內(nèi)最少可飛行21次，最大起降頻次為1次/h，最大運輸量為1050kg。

表3 無人機優(yōu)選機型“油動小壯”主要數(shù)據(jù)

3.3.2 窗口智能接駁柜的規(guī)格設計

表4 國家標準快遞紙箱 1-12 號規(guī)格數(shù)據(jù)[8]

圖6 2019年我國網(wǎng)絡購物用戶購買商品品類分布

在一項對于不同類型地區(qū)的文件類、小件類、中件類、大件類的快遞分布情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，文件類的快遞中，寫字樓所占比重較大；小件類快遞中，學校所占比重稍大；中件類快遞中，小區(qū)和學校的占比基本相似；大件類的快遞中，小區(qū)的稍多，其他兩個地區(qū)相對較少。

根據(jù)不同場景快遞類型的數(shù)量分布，我們將安裝不同尺寸的窗口智能接駁柜，以保證其投放量和利用率。

表5 窗口智能接駁柜規(guī)格數(shù)據(jù)

小件快遞標準：長0.23M*寬0.23M*高0.29M；體積：0.015M3限重：2KG；

中件快遞標準：長0.35M*寬0.23M*高0.29M；體積：0.023M3限重：5KG；

大件快遞標準：長0.53M*寬0.23M*高0.29M；體積：0.035M3限重：10KG。

本接駁柜最大載重區(qū)間范圍為50-200kg，可隨實際應用樓房層高來調(diào)節(jié)，1-9層建筑可配備承重為50kg的1號接駁柜，10-40層建筑可配備承重為100kg的2號接駁柜，40層以上的建筑可配備承重為200kg的3號接駁柜。本接駁柜存放快遞區(qū)域分為4層，其中前三層為正常使用區(qū)域，第四層為緊急存放區(qū)域，因無人機投放快遞順序是按用戶訂單順序的優(yōu)先度排列，若在接駁柜正常工作時發(fā)生某些用戶未在規(guī)定時間取件阻礙了接下來的用戶取件，那么該用戶的快遞將被投遞至第四層的安全箱中。

在無外界因素影響的理想狀態(tài)下，接駁柜的單次工作時間=箱門開啟、關閉時間(10s)+沿軌運輸時間(路程/1.75m/s)。假設單次投遞量為50kg，運輸路程為一層，則可計算出本接駁柜最大吞吐量X為4.3kg/s。①

4 可行性評估

4.1 技術效果

現(xiàn)有的無人機快遞接駁柜需設置在空曠的地面上，其位置距用戶有一定的距離，并未徹底解決物流在最后一公里配送中存在的問題；城市地面資源緊缺，預期派送效率將會因無人機快遞接駁柜地面位置屬性有所降低。本方案通過將無人機快遞接駁柜設置在用戶窗口處，使用戶實現(xiàn)足不出戶就能拿取快遞的愿望，無人機向本接駁柜投遞時，接駁柜將移動至樓頂，免去了無人機規(guī)避高樓降低高度駛入地面所引發(fā)的風險。

本窗口智能接駁柜背側安置滑動軌道,連接由電機控制模塊控制的驅動電機使所述智能接駁柜移動到指定位置,便于用戶拿取快遞。通過智能快遞接駁柜與軌道滑桿的連接，實現(xiàn)了智能快遞接駁柜的上下移動，提高了用戶拿取快遞的便捷度，在接駁柜與用戶對接的前提下解決了因戶型或其他客觀條件差異導致的存取困難,能夠提高快遞交接的便捷性與精確性。

本窗口智能接駁柜的第四層保險箱可直接對接快遞員，提升了派取智能快遞接駁柜的靈活性，保證了快遞收發(fā)的正常進行。設置保險箱的目的在于：應對在接駁柜的配送過程中若出現(xiàn)某一用戶在預約時間出現(xiàn)不能取件的情況，為了不影響接駁柜后續(xù)的工作，將未能按時取件的用戶貨物自動投遞至第四層保險箱。接駁柜工作時間結束后，用戶可在規(guī)定時間內(nèi)聯(lián)系快遞員在保險箱拿取快遞。

智能接駁柜的功能設計大致可以分為服務基本功能、輔助服務功能和增值服務三大功能。基本功能主要有取件管理功能、收件功能、暫存功能;輔助功能包括支付功能、查詢功能;增值功能包括廣告服務功能、代收繳費功能、其他增值服務。

其控制柜中設有控制系統(tǒng),包括CPU處理器及其下屬控制模塊。所述信息交互模塊能夠使用戶通過移動終端上的人機交互程序獲取快遞即時狀況并發(fā)送確認、取件、支付、溫度控制等指令,配合云服務平臺的信息上傳服務與壓力傳感器檢測的數(shù)據(jù),能夠給用戶提供優(yōu)質而迅速的信息與操作反饋,規(guī)避了智能快遞柜使用過程中的信息滯后與錯漏問題。

4.2 設施安全性

智能快遞接駁柜通過定位模塊向中央服務器發(fā)送自身位置信息，箱體內(nèi)設有與電子鎖配合的鎖合部，這樣通過電子鎖將接駁柜鎖住，且電子鎖只有在用戶終端輸入正確密鑰的情況下才能打開，保證接駁柜里快遞物品的安全性，防止快遞物品被盜。

考慮到戶外極端天氣情況，高溫機柜的柜體外殼本身結構材料應具有良好的耐高溫、抗腐蝕性能,例如優(yōu)先選用不銹鐵型鋼板,如若采用普通材料，則需要對機柜表面涂層的覆蓋金屬材料和制作工藝品有嚴格要求,覆層須達到足夠的強度穩(wěn)定性，結構緊密、完整安全無孔、不易透過耐腐蝕化學介質，并且與機柜底層其他金屬材料基體間粘結力強，表面硬度高、在底層金屬表面具有分布均勻的耐磨特性。戶外貯藏機柜上的油漆層及涂料包覆層使用需要考慮貯存運輸過程中的磨損和惡劣氣候帶來的影響。油漆材料涂覆處理層應有良好的涂料機械加工性能，良好的耐熱抗水、耐化學性、腐蝕性的能力，良好的耐極度高溫、耐超強光照和抗堿耐霉菌的優(yōu)良性能。采用覆膜鑄鋁或鍍鋅不銹鋼板為原材料，再對表面進行靜電氧化噴塑處理工藝是一種很好的處理方案[9]。

5 結果與討論

5.1 方案優(yōu)勢

①直面痛點，趨勢向好。

由于每戶一箱的設置，不存在產(chǎn)生逾期費的問題，又因其便利、注重隱私的特性，公眾對其的接受度應比落地式智能快遞柜高。窗口智能接駁柜能夠真正實現(xiàn)人們足不出戶輕松拿取快遞的愿望，打通城市物流的最后一百米。

據(jù)悉，京東物流已完成了無人機物流快遞體系。其末端無人機的發(fā)展不斷成熟、支線無人機將投入運營、干線無人機開始研發(fā)，表明京東地空一體化智慧網(wǎng)絡框架的初步構建。京東發(fā)布的年度報告《世界物流無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度報告(2017-2018)》中指出，“當前世界物流無人機產(chǎn)業(yè)正在迅速成長，國內(nèi)物流無人機尚在發(fā)展初期。在美國領先、歐洲積極跟隨的局勢下，中國正不斷追趕并轉至領跑。”而據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2023年中國工業(yè)無人機行業(yè)發(fā)展前景預測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》有關數(shù)據(jù)，未來民用無人機的市場規(guī)模可達968億元，顯示出無人機市場的良好發(fā)展前景。

②最終實現(xiàn)降本增效。

據(jù)物流行業(yè)人士分析，在未來的3到5年，物流的人力及交通成本將上漲20%-50%，在此情況下，無人機物流系統(tǒng)將有很大的應用價值。末端配送無人機往往采用電力驅動，相較于車輛的燃油發(fā)動機，電能直接轉化為動能程度更為高效，進一步降低了運輸成本。2018年4-6 月江西省開展了無人機物流配送試點，計算電費、耗材、人力等成本得出無人機單次飛行約 15元，如果貨物配載合理，預計每件包裹平均成本小于5元，同期地面快件運輸單票成本約23元，較無人機運輸成本高53%，是預期無人機運輸成本的3.6倍，同時效率可提高70%[10]。

5.2 方案不足之處及未來展望

①無人機配送安全風險高。

現(xiàn)實中使用無人機進行配送首先需要考慮的影響要素就是安全問題。按照規(guī)定,無人機的飛行高度范圍需要控制在100米左右的低空空域[11]。而無人機的運營過程中可能出現(xiàn)的安全風險主要包括以下幾個方面:一是飛行過程中可能受到攻擊(包括有意和無意),例如彈弓、飛鳥、射擊類玩具;二是因天氣、機械故障等外界因素造成的安全隱患;三是高空配送過程中貨物意外墜落對地面人群造成傷害的風險;四是可能遭受黑客技術、電磁波動等其他干擾。

②前期投資成本高。

方案中另外一個需要考慮的風險是前期成本問題。目前,我國許多的快遞物流公司和企業(yè)還處于從人工向物流自動化方式轉型的關鍵時期,由此將會造成前期在物流技術設備、無人機等方面的巨額資金投入,這與其他傳統(tǒng)的配送方式相比明顯經(jīng)濟性增量不多,配送每一個單位貨物的成本也更高。而就此方面的優(yōu)化來看,只有整體降低無人機的構建成本、維護成本、團隊運營成本,才有可能盡量降低單位配送成本。在未來,勞動力短缺以及技術革新帶來的成本紅利將會刷新無人配送的接受度,只要市場規(guī)模足夠龐大、客戶需求足夠對口,其成本一定向持續(xù)走低的方向發(fā)展。

6 結語

在物流業(yè)高速發(fā)展之際，如何節(jié)約人力物力、提高配送效率成為了未來物流發(fā)展的主要方向，而在人工智能技術支撐下的無人配送模式則是提高配送效率最有效的方法。本文以此為基點，提出了通過為用戶提供基于無人機配送快遞到自家窗戶口的創(chuàng)新配送方式，解決物流配送末端效率低、安全性差的難題，應用于城市物流“最后一公里”配送中，為末端配送體系未來的發(fā)展提出了對策建議。

注釋：

①接駁柜吞吐量：X=C/T(總運輸量除以總取件時間)